「數位化脈衝星終端，是開展脈衝星時間尺度研究的核心。」記者昨日從位於西安的中國科學院國家授時中心獲悉，該中心羅近濤研究員團隊在數位化脈衝星終端研製方面取得進展。
羅近濤說，宇宙中的脈衝星十分遙遠，在地球上接收到的脈衝星信號十分微弱，需要使用大口徑射電望遠鏡配置高性能脈衝星終端進行接收。脈衝星的信號在到達地球的過程中受星際介質影響會出現色散效應，使得脈衝星輪廓展寬進而影響觀測效果。與非相干消色散模式相比，相干消色散可以徹底地消除色散效應，從而更真實地還原脈衝星的輪廓。
■記者 張瀟 實習生 郭賦
脈衝星
宇宙中的燈塔 天然的高精度時鐘
那麼，究竟什麼是脈衝星？脈衝星信號的色散效應又是怎麼回事呢？北京大學科維理天文與天體物理研究所研究員李柯伽說，脈衝星好似宇宙中的燈塔，發出的周期輻射不時地閃過人們的視線；脈衝星還是宇宙中天然的高精度時鐘，每億年誤差只有1秒。不僅如此，利用脈衝星，天文學家在上世紀70年代首次間接地探測到了引力波，並於1993年獲得與脈衝星相關的第二次諾貝爾物理學獎。
與脈衝星相關的第一次諾貝爾物理學獎，是脈衝星的發現，這一切都源自一個女研究生的細心。上世紀60年代Jocelyn Bell在讀研究生時，使用導師建造的天線陣列進行觀測。在長長的紙帶記錄數據中，她發現了一些奇特的信號——每天同一恆星時，這個陣列都會從天上的同一個位置接收到一些看似像幹擾的無線電信號。要是假設這個信號不來自於地球，而是來源於遠方的天體，那麼整個事情似乎要更合理一些。這些信號是間隔1.33秒的、非常有規律的脈衝信號。如果這個脈衝信號是來源於太陽系之外的，那麼由於地球圍繞太陽公轉，望遠鏡相對信號源的速度就會以一年為周期而變化。經過幾個月的數據積累，科學家發現，信號周期在小數點後第7位上發生了改變，並且測量到的改變量與地球圍繞太陽運動引起的都卜勒效應之預言完全一致。信號的來源至此確定為太陽系之外。就這樣，人類歷史上第一次發現了脈衝星這一奇特的天體，很快脈衝星被證認為理論預言中的中子星。
當白色的光穿過玻璃稜鏡的時候，就會被分解成不同顏色的光，這被稱作色散效應。這個效應起源於不同頻率的光和玻璃（介質）中電子的相互作用。類似的，銀河系裡也充滿了大量自由的電子，無線電波在這些「星際介質」中傳播時，也會發生色散，而不同頻率的無線電脈衝信號到達地球的時間也會有差異。上世紀60年代，人們對銀河系中的電子密度已經有了大概的了解。Hewish和Bell兩位科學家測量了不同頻率的脈衝到達地球的時間差，然後再結合銀河系電子密度的信息即能推測出新發現天體的距離。基於這一方法，科學家確定新發現的脈衝星是位於銀河系之內。
自主研發
系統更精準 接近國際先進水平
羅近濤團隊採用自主研發的相干消色散數字終端，利用國家授時中心洛南昊平站40米口徑射電望遠鏡，獲得毫秒脈衝星B1937+21輪廓的精細結構。為什麼要觀測B1937+21？這一顆脈衝星有什麼特別之處呢？這顆脈衝星自轉周期約為1.6毫秒，在很多年裡一直是脈衝星裡面的自轉速度冠軍，色散效應在這顆脈衝星身上的影響特別明顯，它的主峰上有一個精細結構，這個精細結構只有使用相干消色散才能觀測到，在非相干消色散模式下是觀測不到的。所以，對於科學家來說，這顆脈衝星是測試相干消色散技術的理想對象。
那麼，射電望遠鏡如何去獲得脈衝星時間的「讀數」呢？這種技術在天文學上叫做脈衝星測時觀測。據李柯伽介紹，它包括幾個步驟：首先，人們用無線電望遠鏡接收脈衝星的無線電信號。為了消除色散的影響，科學家需要重新對齊不同頻率的脈衝信號到達地球的時間。對於較亮的脈衝星，這個時候就能看到脈衝了。然而大部分脈衝星的信號實在是太弱了，即使消除了色散的影響，大部分情況下，脈衝信號還是不可見的。接下來讓脈衝信號變得明顯起來的辦法叫做「周期摺疊」，即按照脈衝的周期把數據分段，然後再把每段數據疊加起來。這樣由於將有脈衝的地方相疊加，脈衝信號就能變得明顯起來。
但是，僅僅獲得脈衝到達地球的時間還不足以用來提取科學家需要的物理信息。地球在自轉，所以不同時刻望遠鏡朝向天空的位置是不一樣的。為了扣除地球的自轉效應，科學家先要計算出望遠鏡到地球中心的距離，把觀測到的脈衝信號到達望遠鏡的時間歸算到脈衝信號到達地心的時間。類似的，地球還在圍繞太陽作公轉。因此還需要進一步計算地球相對太陽系質心的位置（太陽系質心是太陽系所有天體按照質量加權以後算出來的太陽系的「中心」），再把脈衝的達到時間歸算到太陽系質心。最後，在知道脈衝星相對太陽系的運動之後，科學家還要進一步把太陽系質心時間折算到相對脈衝星平動的參考者那裡（即相對脈衝星速度不變的觀測者）。這樣的脈衝到達時間就能表徵脈衝星真實自轉信息了。
脈衝星自轉相當穩定。對於脈衝星計時來說，大天線是保證觀測效果的基礎，高性能的脈衝星終端是核心。在兩種相干消色散模式中，相干消色散可以更徹底地消除色散，但是算法複雜、計算量大，開發難度也大。羅近濤表示，國家授時中心的相干消色散數字終端採用FPGA+GPU結構，8節點的高性能GPU伺服器集群，能夠對海量數據進行實時高性能處理。在相干消色散模式下，工作帶寬800MHz、通道數1024，具有良好的計時觀測特性。此外，在實驗室測試中帶寬可達到1.6GHz。後續研製工作中，該研發團隊將進一步提升終端的工作帶寬、通道數，開展更高帶寬的觀測。更寬的帶寬，可以提高脈衝星觀測的信噪比，從而提高觀測的效果，目前國際上使用中的脈衝星相干消色散終端的工作帶寬一般在800MHz左右，我國從美國引進的脈衝星終端中相干消色散觀測模式的帶寬在1.5GHz左右。中科院國家授時中心終端在實驗室實現的1.6GHz的相干消色散帶寬，這一指標接近國際先進水平。
脈衝星能做什麼？
建立時間-空間標準 測量引力波
脈衝星會發出非常準確的周期性脈衝信號，科學家能夠利用望遠鏡來讀出脈衝到達地球的時間；測時殘差（即脈衝星到達時間的模型和測量的區別）包含了豐富的物理信息。
中科院國家授時中心目前產生和保持的時間，是從1972年1月1日開始通行的國際協調時（UTC），它是用原子鐘定義的時間加上地球自轉觀測修正構成的。在應用國際協調時的時候，因為每個原子鐘的數據無法實時進行匯總，人們並不能實時地獲得加權時間。精確時間測量仍然需要進行事後改正。脈衝星自轉穩定，是宇宙中最穩定的天然鍾，脈衝星鐘的長期穩定性與原子鐘相當甚至優於原子時，對多顆脈衝星觀測就是另外一種精確時間測量的辦法。
除了時間標準，科學家還能夠利用脈衝星建立空間框架，適合深空探測。此外，脈衝星測時陣列還能夠直接探測引力波。這裡脈衝星被當成了標準的脈衝信號發生器來使用，其發出的脈衝信號穿過銀河系的距離來到地球。如果宇宙背景中存在引力波，就會改變銀河系的時空結構，從而改變信號的到達時間。廣義相對論預言，引力波是時空的漣漪，而且是「橫波模式」。這種時空的拉伸和壓縮會導致在相應方向上「距離」的改變，從而使得脈衝到達地球的時間提早或者延遲。2017年美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）探測到的是高頻引力波事件，而脈衝星計時在探測低頻引力波方面比LIGO要靈敏得多。
新成果
推動脈衝星研究跨上新臺階
目前，我國現已建成了世界上最大的500米單口徑望遠鏡FAST，新疆在建世界最大的全可動高頻110米口徑望遠鏡QTT（奇臺望遠鏡），還有可能建造世界最大的幹涉陣列ChinaART。這些望遠鏡由於具有很大的接收面積，可以有效提高脈衝星測時的精度。可以預計，如果這些望遠鏡能夠及早完成調試並投入使用，則脈衝星測時陣列探測引力波的領域將有重大的突破。
中國科學院國家授時中心是我國的國立時頻研究機構，是我國唯一一家專業、全面從事時間頻率科學研究的機構。國家授時中心在秦嶺山區建有40米口徑射電望遠鏡一臺，基於該射電望遠鏡正在開展脈衝星時間尺度的研究，已經對多顆高精度毫秒脈衝星進行了長期的計時觀測。此次國家授時中心數字脈衝星終端的相干消色散模式的實現，無疑將進一步推動國家授時中心脈衝星時間尺度的研究，推動陝西的脈衝星研究走上新臺階。
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